低压铸造充型工艺的国内研究现状

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金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding

2010 年 9 月

低压铸造充型工艺的国内研究现状
施得运 ， 毛红奎 ， 徐 宏 ， 薛 莉
（ 中北大学 材料科学与工程学院 ， 山西 太原 030051 ） 摘 要 ： 介绍了低压铸造充型的原理及其工艺特点 。 着重从气压式低压铸造充型 ， 电磁

低压铸造充型以及计算机模

拟在低压铸造充型过程中的应用等三个方面论述了近年来低压铸造充型工艺在国内的研究现状 。 关键词 ： 充型 ； 气压 ； 电磁 ； 低压铸造 ； 计算机模拟 中图分类号 ：TG249.2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001-3814(2010)17-0052-04

Research Status of Filling Process in Low Pressure Die Casting in China
SHI Deyun, MAO Hongkui, XU Hong, XUE Li
(School of Material Science and Engineering , North University of China, Taiyuan 030051, China) Abstract ： The principle and characteristics of mold filling in low pressure die casting is introduced. The research status of filling process in low pressure die casting in China is discussed from three aspects, gas low-pressure mold filling, electro-magnetic low-pressure mold filling, as well as the application of computer simulation in low-pressure mold filling process in recent years. Key words ： filling; pressure; electromagnetic; low pressure die casting; computer simulation

在实际铸造生产中 ， 大型复杂铝 、 镁铸件 （ 如发 动机机体 、 缸盖及传动箱体 ） 生产成品率低 ， 只达到

顶板 顶杆 上型 型腔 内浇道 气垫 导柱 滑套 下型 压缩空气 保温炉 升液管 液态金属

40%左右 ， 不仅浪费大量的人力 、 物力及财 力 ， 更严
重影响了动力传动批产进度 。 造成大型复杂铝 、 镁 铸件质量问题的根本原因是铝 、 镁铸件材料和成形 工艺落后 。 在改进现有铸造铝 、 镁合金材料性能不 是很明显的情况下 ， 改进现有铸造成形工艺是非常 有必要的 ， 比如低压铸造过程中的充型工艺 。

1

低压铸造充型原理及其工艺特点
低压铸造是利用气体压力或者电磁力将金属液

图 1 气压式低压铸造基本原理图 Fig.1 Principle diagram of low-pressure casting
压力

1.1 充型原理
压入铸型来实现充型的 。 加在合金液面上的气体压
H2

p1 v3 p2 v2 ρ1 H1 v1 O t1 t2 A B

C

D

力或者使之发生定向移动的电磁力 ， 迫使合金液沿 升液管上升 ， 合金液进入型腔直至充满型腔这一阶 段称为充型阶段 。 图 1 为气压式低压铸造基本原理 图 。 图 2 为低压铸造的压力 - 时间曲线 ， 其中 AB 段 为充型过程 。

t3

t4

t5 时间

Fig.2
收稿日期 ：2010-03-13 基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （50975264 ） 作 者 简 介 ： 施 得 运 （1985- ）， 男 ， 浙 江 金 华 人 ， 在 读 硕 士 ， 主 要 研 究 方 向 ： 低压铸造充型过程数值模拟及实验研究 ； 电话 ：0351-3921264;E-mail ：shideyun3202@163.com

图 2 低压铸造压力 - 时间曲线 Pressure - time curve of low-pressure casting

1.2 充型工艺特点
（1） 低压铸造浇注过程中 ， 合金液在可控压力 下充型 ， 能有效地控制充型速度 ， 使合金液充型平 稳 ， 减少或避免合金液在充型时的翻腾 、 冲击 、 飞溅

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Hot Working Technology 2010, Vol.39, No.17

上半月出版 现象 ， 从而减少氧化渣的形成 ， 避免或减少铸件缺 陷 ， 提高铸件质量 。
[1]

Casting· Forging·Welding 金属铸锻焊技术

2

低压铸造充型工艺的研究现状
自从二十世纪初期开始研究并应用低压铸造工

（2） 合金液在压力作用下充型 ， 可以提高合金 液的流动性 ， 有利于获得轮廓清晰的铸件 ， 可适用于 不同壁厚 ， 不同高度和不同结构的铸件 。

2.1 气压式低压铸造充型
艺 ， 气压式低压铸造已经由实验转入生产 ， 从生产简 单件发展到生产复杂件 ， 从生产铝 、 铜合金铸件发展 到黑色金属和轻量化的镁合金铸件 ， 从起初的单件 、 小批量发展到大批量 、 机械化生产 ， 从砂型发展到金 属型 、 消失模等精密度更高的低压铸造 。 面向 21 世纪 ， 铸造技术正在向更轻 、 更薄 、 更 精 、 更强 、 更韧 、 成本低 、 周期短 、 质量高的方向发展 。 大型化 、 轻量化 、 精确化 、 数字化 、 网络化 、 清洁化及 利用再循环将是未来铸造技术的重要发展方向 [3-6]。 近年来 ， 我国一些高校及科研院所对低压铸造充型 进行了研究 ， 并取得了大量的成果 ， 主要表现在基础 研究 、 薄壁件和铸件精确化等方面 。 （1） 基础研究和薄壁件
[7]

1.3 充型压力的确定
充型压力是指金属液充型上升到铸型顶部所需 的压力 。 当铸件高度确定以后 ， 就可以根据以下公式 计算出充型压力值 。 · · p=H γ μ

(1)

式中 ：p 为充型压力 ；H 为合金液从液面上升到铸件 顶部的总高度 ；γ 为合金液 在浇注温度 时的密度 ；μ 为阻力系数 ， 通常可取 μ=1.0～1.5。 阻力系数 μ 同铸件高度 、 厚度 、 铸型材料 、 浇注 温度 、 铸型的排气条件以及合金成分有关 。 在铸型和 管道确定后 ，μ 值可以通过实验测定 [2]。

1.4 充型速度的控制
充型速度取决于通入坩埚内气体压力增加的速 度或者使之发生定向移动的电磁力增加速度 ， 可用 以下公式计算 。

西北工业大学的王安

家 等人 采用低压铸 造方法对 A357 合金的充型 过 程进行了研究 。 结果表明 ， 当充型压力低于 30 kPa 时 ， 随着充型压力增大可以得到表面质量较优的铸 件 ； 达到 30 kPa 以 上 时 ， 就 出 现 粘 砂 、 夹 杂 、 气 孔 等 缺陷 。 而李梅娥 [8]等人则采用低压铸造方法浇铸了 壁厚为 5 mm 和 2 mm 的 Al-Cu 薄板铸件 , 测试温度 场 , 并考察了反重力铸造的两种基本充型形态 - 反向 充填和顺序充填对铸件温度分布和铸件质量的影 响 。 研究表明 ， 反向充填产生的温度分布不利于铸件 补缩 ， 易产生缩松缺陷 ； 顺序充填产生的温度分布使 铸件倾向于顺序凝固 ， 有利于得到组织致密的铸件 ， 但易在最后凝固部位产生应力和裂纹 。 在实际生产 中可根据两种充型形态下铸件的凝固特点 ， 采用合 适的浇注系统和充型工艺参数 ， 来防止缺陷产生 。 （2 ） 铝 合 金 铸 件 精 确 化
[9]

v=(p2-p1)/t
为充型时间 。

(2)

式中 ：v 为充型速度 ；p2，p1 为充型压力和升液压力 ；t 充型速度 反映了浇注过程中金属液上升的情 况 。 v 大则金属液上升快 ， 小则上升慢 ， 显然充型速 度能直接影响铸件的质量 。 例如 ， 当金属液上升太 快时 ， 型腔内的气体来不及排除 ， 在型腔体积减小的 情况下 ， 型腔中气体压力升高就会产生反压力 。 当反 压力等于 p2 时 ， 金属液就会停止上升 。 随着充型压 力的继续增加 ， 超过反压力时 ， 金属液才能继续充 型 ， 这样会使铸件表面形成 “ 水纹 ”， 从而影响铸件的 外观 ， 严重时会造成铸件报废 。 对于薄壁复杂铸件 ， 充型速度太快 ， 还易产生气泡 ， 形成气孔缺陷 。 但如 果充型速度太慢 ， 又会产生浇不足及冷隔等缺陷 。 因此 ， 对厚壁简单件来说 ， 由于壁厚 ， 所以铸件 的成型不是主要矛盾 ， 故它的充型速度稍慢一些也 不会导致冷隔 、 欠浇等缺陷 。 但如果是薄壁复杂铸 件 ， 且模具冷却强度又较大 ， 如果充型速度太慢 ， 则 会形成铸件冷隔 、 欠浇等缺陷 ， 因此对于这类比较容 易凝固冷却的铸件 ， 在完成金属液的升液后 ， 应该加 快其充型速度 ， 以防止铸件产生冷隔 、 欠浇等缺陷 。

华中科技大学的胡

敏 等人试验 研 究 了 反 重 力 浇 注 条 件 下 ， 铝 合 金 消 失模真空低压铸造的充型流动特性 。 通过采用电极 触点法测定不同条件 （ 真空度 、 浇注温度 、 内浇道面 积 ） 下铝合金液体流动前沿的变化规律 ， 获得了不同 条件下液态 ZL101 的充型等时曲线 ； 证明了负压 、 浇注温度 、 浇注系统的尺寸 、 气体流量 、 模样的壁厚 、 涂料的性能等对铝合金消失模真空低压铸造的充型 形态及充型速度都有较大的影响 。 （3） 镁合金铸件精确化 由于镁合金产品具有 以下优势 :① 轻量化 ： 密度 1.8 g/cm3 左右 ，， 是钢铁的

《 热加工工艺 》 2010 年第 39 卷第 17 期

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金电磁泵低压铸造充型压力计算控制计算方法 ， 通 过实验研究在不同励磁电流和电极电流下电流与电 磁泵输出压力之间的关系 ， 建立压力控制计算模型 ， 并进行了电磁泵低压铸造过程模拟验证 。 研究表明 ： 在磁感应强度确定的情况下 ， 电极电流与输出压力 都是呈严格的线性变化规律 ； 电磁泵低压铸造充型 平稳 ， 加压压力控制精确 ， 是高质量铝铸件生产先进 的铸造工艺方法 。 在实验研究 方面 ， 杨晶 [15] 等 人通过对引 进电磁 泵工艺参数测定的实验研究及结果分析 ， 结合复杂 铝合金铸件的特点 ， 确定了电磁泵砂型低压铸造复 杂铝铸件充型工艺 。 应用结果表明 ， 采用该技术生产 的车用发动机铝合金缸盖综合性能良好 。 党惊知 [16] 等人则通过在电磁泵低压铸造平稳充型情况下对

1/4, 铝 的 2/3， 与 塑 料 相 近 ； ② 比 强 度 高 、 刚 性 好 ， 优
于钢及铝 ；③极佳的防震性 ， 耐冲击 、 耐磨性良好 ；④ 优良的热传导性 ， 可改善电子产品散热问题 ；⑤非磁 性金属 ，抗电磁波干扰 ，电磁屏蔽性好 ；⑥加工成形性 好，成品外观美丽 ，质感佳 ，无可燃性(相对于塑料)；⑦ 材料回收率高 ， 符合环保法 ；⑧ 尺寸稳定 ， 收缩率小 ， 不易因环境温度变化而改变(相对于塑料)。 所以对镁 合金的研究也越来越多 ，如华中科技大学的张大付
[10]

等人利用自主开发的真空低压消失模铸造技术及其 装备用 AZ91D 镁合金成功地浇注出了电机外壳 、 排 气管等复杂的镁合金铸件 。 这种新的消失摸铸造工艺 大大提高了镁合金的充型能力 ，消除了重力下消失模 铸造镁合金充型能力差 、易形成浇不足和冷隔缺陷的 缺点。 吴和保[11]等人则采用摄影法和电触点法对薄壁 镁合金零件的充型特征进行了系统研究 。 实验结果表 明 , 在低真空度条件下 , 镁合金呈拱形层状推进 , 其充 型速度随充气流量的变化而变化 。 过小的充气流量会 造成金属液充型速度较小,产生浇不足缺陷,而充气流 量过大则会使金属液流动前沿不平稳 , 产生气孔缺 陷 。 真空度有利于砂型紧实和热解产物的传输,但过 高的真空度使金属液呈凹槽形推进,不利于热解产物 的溢出,在铸件末端产生集中性气孔缺陷 。 因此，镁合 金真空低压消失模铸造最佳的充气流量范围为 3～

ZLSi9Mg 铝 合 金 组 织 及 力 学 性 能 的 影 响 进 行 了 研
究 。 结果表明 ：ZLSi9Mg 铝合金熔液 经电磁泵输 送 后 ， 其凝固组织得到细化 ， 在最佳工艺条件下 ， 其抗 拉强度 、 伸长率提高 ； 且磁场作用对合金的抗拉强度 和伸长率的影响大于电流的作用 。 在实际生产方面 ，杨晶[17]等人通过电磁泵原理研 发的铝合金电磁充型铸造装置生产的增压器叶轮 ，不 仅综合性能良好 ，且成品率明显提高 。 侯击波[18]等人 结合壳型薄壁铝合金铸件的特点,对电磁低压铸造设 备的工作原理进行了分析和实验研究后,提出适用于 电磁泵的间接式工艺控制工艺方案,成功铸造了某罩 壳,铸件成品率明显优于气压式低压铸造方法 。 从以上研究来看 ， 电磁泵技术应用于低压铸造 具有较明显的效果 ， 生产的铸件组织致密 、 性能优良 且质量非常稳定 ， 是一种很有发展前途的低压铸造 生产设备 。

4 m /h，真空度低于 0.02 MPa。
3

2.2 电磁低压铸造充型
电磁低压铸造技术是一种生产效率高 、 近无余 量精确成型方法之一 。 它不仅具有充型平稳 、 流量 精确可控 、 电磁作用提高铸件性能等优点 ， 还能克服 传统气压低压铸造过程中液面波动 、 铝液吸气及氧 化夹杂等缺点 。 因此 ， 近年来 ， 人们对电磁低压铸造 的研究越来越深入了 。 我国从 20 世纪 60 年代起就有人研究过铸造用 电磁泵 ， 并取得了一定的进展 ， 但由于当时材料和
[12]

2.3 计算机在低压铸造充型过程中的应用
随着计算机技术的快速发展 ， 铸造过程中的充 型模拟也得到了迅猛发展 。 低压铸造充型过程数值 模拟就是采用数值技术手段和一定的信息手段 ， 根 据低压铸造的工艺特点和充型流动的特点来模拟分 析低压铸造生产过程中各因素对铸件成型过程的影 响 ， 预测缺陷 ， 为进一步改进工艺提供合理和准确的 依据 ， 从而达到降低铸件缺陷 、 提高产品质量和工艺 出品率的目的 。 计算机在低压铸造充型过程中的应 用主要体现在实际生产的应用 、 算法的改进以及充 型过程的研究等几个方面 。 （1） 低压铸造充型数值模拟在生产中的应用

工艺技术所限 ， 一直没有研制成功 。 近年来国内虽有 个别单位引进 ， 但仅仅是使用该设备与技术 ， 并未形 成生产制造能力 。 据了解 ， 清华大学 、 西北工业大学 、 哈尔滨工业大学等重点院校的铸造专家们对此项技 术表示关注 ， 但是否已对该技术进行研制还未见有 相关论文发表 。 目前 ， 中北大学铸造工程研究中心经 数年的开发 研究，研制出 新型平面直 流电 磁 泵 系 统 ， 填补了国内空白并达到了国际领先水平 。
[13]

在理论研究 方面 ， 徐宏

[14]

等 人研究确定 了铝合

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上半月出版 经过 30 多年的不断发展 ， 铸造过程的宏观模拟 在工程应用中已是一项十分成熟的技术 ，能进行低压 铸造充型数值模拟的商品化软件有德国的 MAGMA、

Casting· Forging·Welding 金属铸锻焊技术

的量化分析 。 还有 ， 周中波 [23]等人通过数值模拟方法 研究了低压铸造铝合金薄板件熔体充填过程的流动 形态 ,在此基础上 ,进一步探讨了充型压力 、 升压速率 及型腔厚度因素与充填能力的关系 。 结果表明 ,在反 重力场作用下 , 铝合金熔体从下而上逐层充填薄壁 型腔 , 但随着壁厚增加 , 射流区两侧的涡流面积增大 , 出现较明显的反向充填特征 。 另外 ,充型压力和升压 速率的增大有助于改善反重力铸造铝合金薄壁件的 充填能力 。 在铝合金轮毂的低压铸造充型过程中 ， 压力条 件是影响铸件质量的主要因素 。 陈继刚 [24]等人提出 了低压铸造充型非线性压力条件的加载方法 。 结合 线性与非线性压力加载的数值模拟 ， 分析与验证了 非线性压力条件的有效性 ，详细说明了压力条件对充 型状态的影响 ，以及缺陷的形成 。 对于复杂轮型 ，非线 性压力条件可以获得稳定充型状态 ；充型前流进入型 腔后 ， 可适当提高压力加载速度 ； 在轮辐与轮辋下缘 充型，加载速度应较平缓 ；在轮辋部分的上升充型中 ， 压力加载速度再次适当提高 。 研究表明 ，非线性压力 条件可以有效地减少铸件充型缺陷 ，提高复杂轮毂的 成品率 ； 在保障前流稳定的情况下 ， 可以通过数值模 拟与试压铸而获得合理的非线性压力条件 。

CASTS, 美 国 的 PROCAST、Flow-3D、AFS Solid、FIDAP7.0, 英国 的 CFDS-Flow3D, 法 国 的 Simulor, 日 本
的 CASTEM、Soldia， 瑞典的 NOVAFLOW 软件以及 中国的铸造之星(FT-STAR)等 ， 并在生产中取得显著 的经济及社会效益。 如河北某公司通过低压铸造充型 过程数值模拟软件 ， 制定合理工艺方案 ， 采用低压铸 造方式生产了 DLZ147-1880 铝合金汽车轮毂 。
[19]

（2） 低压铸造充型算法的改进 许多铸造缺陷如卷气 、 夹杂 、 缩孔等都与液态金 属的充型过程有关 。 为了控制充型和流动方式 ， 对充 型过程进行数值模拟是非常有必要 。 其中研究多数 以 SOLA-VOF 法为基础 ， 引入体积函数处理自由表 面 ， 并对传热计算和流量修正等方法进行研究改进 。 如闻星火 等人根据低压铸造圆盘类铸件的充型特
[20]

点 , 设计开发了一套简化充型模拟软件 , 应用于低压 铸造铝合金轮毂铸件的充型模拟 。 模拟结果与采用

SOLA-VOF 算法的模拟结果进行对比表明 , 充型过
程及铸件温度分布合理 , 实现了为后续凝固模拟提 供准确的初始温度场的设计目标 。 该简化算法运算 时间短 ,可以满足实际应用中对运算时间的要求 。 万 柳军 [19] 等人以 低压铸造汽 车轮毂为研 究 对 象 , 对 铸 造充型过程数值模拟算法进行了研究改进 ， 包括采 用自适应压力迭代法提高了 SOLA 算法的迭代收敛 速度 ； 在计算中运用动态迭代搜索域减少了冗余的 程序开销 , 提高了计算效率 ； 采用精确算法与简化算 法相结合的方法 , 在保证轮毂关键 部位模拟精 度的 同时缩短了计算时间 。 （3） 低压铸造充型过程的研究 陈立亮
[21]

3

结束语
砂型低压铸造无疑是大型复杂铝合金铸件最适

宜生产方法 [25]。 而电磁低压铸造能够克服气压式低 压铸造过程中液面波动 、 铝液吸气及氧化夹杂等缺 点 ， 因此电磁低压铸造将是低压铸造技术的发展趋 势 。 随着计算机模拟技术的不断发展 ， 充型模拟技术 在低压铸造中的应用将更加广泛 。 低压铸造充型平 稳工艺正在发展之中 ， 目前还没有成熟的理论 ， 如何 做到在不同截面充型过程中平稳充型等问题尚需要 深入研究 。 参考文献 ：
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等人 利 用 数 值 模 拟 技 术 , 对 低 压 铸 造

铝合金车轮的流动 、 充型过程进行了分析 。 应用表 明 , 流动场数值模拟技术可以跟踪液 态金属的充 型 形貌 , 分析 各部位的压 力分布 , 为优 化铸造工 艺 、 改 进模具设计提供了有效的手段 。 而赵忠兴 等人以
[22]

物理模拟技术 、 图像处理技术和计算机技术为基础 , 采用水模拟计算机可视化技术 , 观察和记录液体充 型过程的图像信息 。 运用数字视频处理中的运动补 偿技术对获取的流动状态图像进行分析 , 对低压铸 造水模拟充型过程的二维速度场进行了计算 , 建立 了量化的流动场 。 实现了铸造充型过程水模拟技术 《 热加工工艺 》 2010 年第 39 卷第 17 期
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(下转第 58 页) 55

金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding

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强度有所下降 ， 但对高温烧结强度影响不大 。

100
压强 /MPa

80 60 40
基本配方

(2) α 淀粉加入后 ， 可使黄壤土天然粘土砂的
透气性得到明显的改善 ， 这有利于铸件的浇注 ， 减少 铸件气孔产生的可能性 。 α 淀粉加入量选取在 1%较 合适 。

20 900

加入 α 淀粉

(3) α 淀粉的加入 ，可使黄壤土天然粘土砂的表
1100 1200

1000

面安定性明显提高 ， 且随试样放置时间的延长 ， 型砂 的表面安定性进一步提高 。 参考文献 ：
[1]
王 文 清 ， 李 魁 盛 ． 铸 造 工 艺 学 [M]． 北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ，

温度 /℃

图 3 黄壤土天然粘土砂高温抗压强度试验

Fig.3 The natural yellow loam clay-boned sand elevated-temperature pressure test

土砂机器造型的效果 ， 并与未加 α 淀粉的型砂进行 比较 。 结果表明 ， 用未加 α 淀粉的型砂进行机器造 型 ， 常出现起模不完整 、 大面积脱落等问题 ； 而加入

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[3]

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3

结论
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(上接第 55 页)
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